JP2580826B2 - Feedback neuron model - Google Patents

Feedback neuron model

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JP2580826B2 JP2065356A JP6535690A JP2580826B2 JP 2580826 B2 JP2580826 B2 JP 2580826B2 JP 2065356 A JP2065356 A JP 2065356A JP 6535690 A JP6535690 A JP 6535690A JP 2580826 B2 JP2580826 B2 JP 2580826B2
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茂樹 山片
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はフィードバック神経細胞モデルに関し、特に
脳機能をモデル化した神経回路網で時変的な情報の処理
を行なうことを可能としたフィードバック神経細胞モデ
ルに関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a feedback neuron model, and more particularly to a feedback neuron capable of processing time-varying information with a neural network modeling a brain function. Related to cell model.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

脳機能をモデル化した神経細胞モデルは近時よく知ら
れつつある。
Neuronal models that model brain functions have recently become well known.

従来の神経細胞モデルは、第3図に示すように、他の
神経細胞群からの入力信号Oi(t)(i=1〜nK)に重
み付けを行なった重み付け信号Wi,j,Oi(t)を受けと
るシナプス結合部1と、重み付け信号を加算し、細胞内
部状態で を生成する細胞体部2と、細胞内部状態Xj(t)を細胞
出力値Oj(t)に変換する軸索小丘3を有している。
As shown in FIG. 3, a conventional neuron model uses a weighted signal Wi, j, Oi (t) obtained by weighting an input signal Oi (t) (i = 1 to n K ) from another group of neurons. ) And the weighted signal are added, and in the cell internal state And an axon mound 3 that converts the cell internal state Xj (t) into a cell output value Oj (t).

従来の神経細胞モデルは、上述したように、他の神経
細胞からの入力信号Oi(t)を重み(Wi,j)付け線形和 をその細胞内部状態Xj(t)とし、出力変換関数として
シグモイド関数f(Xj(t))=1/(1+exp(−Xj
(t))を用いて出力値Oj(t)を決定していた。
As described above, the conventional neuron model uses a linear sum of input signals Oi (t) from other neurons with weights (Wi, j). Is the cell internal state Xj (t), and a sigmoid function f (Xj (t)) = 1 / (1 + exp (−Xj) as an output conversion function.
(T)) was used to determine the output value Oj (t).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

この従来の神経細胞モデルの出力値Oj(t)は、現時
刻tにおける他の神経細胞からの入力信号Oi(t)のみ
で決まるため、入力信号Oi(t)の時間的変化は神経細
胞モデル内でまったく使われていない。言い換えれば、
過去にどのような入力信号Oi(t)が存在しようと、細
胞の出力には何ら影響を与えない。一方、人間の脳は、
視覚や聴覚を例にとっても分かるように、瞬間的な信号
だけでなく、その時間的変化を捕らえて高度な情報処理
を行なっている。従って、従来の神経細胞モデルは、脳
の神経細胞モデルとしては出力値Oj(t)が入力信号Oi
(t)の時間的変化に影響されないという欠点がある。
Since the output value Oj (t) of this conventional nerve cell model is determined only by the input signal Oi (t) from another nerve cell at the current time t, the temporal change of the input signal Oi (t) is Not used at all within. In other words,
No matter what input signal Oi (t) is present in the past, it has no effect on the output of the cell. On the other hand, the human brain
As can be seen from examples of sight and hearing, advanced information processing is performed by capturing not only instantaneous signals but also their temporal changes. Therefore, in the conventional neuron model, the output value Oj (t) is the input signal Oi as the brain neuron model.
There is a disadvantage that it is not affected by the temporal change of (t).

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明のフィードバック神経細胞モデルは、他の神経
細胞群の出力信号に重み付けを行なった信号を受け取る
シナプス結合部と、前記シナプス結合部から入力される
前記重み付けを行なった信号を加算し細胞内部状態を生
成する細胞体部と、前記細胞内部状態を細胞出力値に変
換する軸索小丘とを有する神経細胞モデルにおいて、自
己自身の前記細胞体部が現時刻の細胞の内部状態をXj
(t)とする前記自己自身の細胞体部の過去の細胞の内
部状態の影響をも受ける。
The feedback neuron model of the present invention is a synapse connection unit that receives a signal obtained by weighting the output signal of another group of nerve cells, and the weighted signal input from the synapse connection unit is added to the internal state of the cell. In a nerve cell model having a cell body part that generates a cell and an axon hill that converts the internal state of the cell into a cell output value, the cell body part of the cell itself has the internal state of the cell at the current time Xj.
(T) is also affected by the internal state of the past cell of the cell body part of the self.

〔作用〕[Action]

本発明のフィードバック神経細胞モデルは、細胞出力
値,言い換えれば細胞への過去の入力信号にも依存する
ように、細胞体部で生成すべき細胞内部状態Xj(t)の
1時刻前の細胞内部状態Xj(t−1)をフィードバック
するフィードバック結合を備えている。また、この場合
のフィードバック接合係数Xjは、これが1に近い程、細
胞出力値Oj(t)がより遠い過去の入力信号にも依存す
るようになるが、細胞内部状態Xj(t)が発散しないた
めにフィードバック接合係数ajの大きさを1未満に設定
している。
The feedback neuron model according to the present invention uses the cell internal state Xj (t) one hour before the cell internal state Xj (t) to be generated in the cell body so as to depend on the cell output value, in other words, the past input signal to the cell. A feedback coupling for feeding back the state Xj (t-1) is provided. In this case, as the feedback junction coefficient Xj is closer to 1, the cell output value Oj (t) also depends on a past input signal in which the cell output value Oj (t) is farther, but the cell internal state Xj (t) does not diverge. Therefore, the magnitude of the feedback joining coefficient aj is set to less than 1.

〔実施例〕〔Example〕

次に、図面を参照して本発明について説明する。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明のフィードバック神経細胞モデルの一
実施例のブロック図であり、他の神経細胞群からの入力
信号を受けるシナプス結合部1と、時刻tにおける細胞
内部状態を生成する細胞体部2と、細胞内部状態を細胞
出力値に交換する軸索小丘3と、一時刻前の細胞内部状
態をフィードバックするフィードバック結合4を備えて
成る。前述したフィードバック結合によって、細胞に対
する過去の入力信号にも依存する神経細胞モデルを確立
している。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a feedback neuron model according to the present invention, in which a synapse connection section 1 receiving an input signal from another nerve cell group and a cell body section generating a cell internal state at time t 2, an axon mound 3 for exchanging the cell internal state with a cell output value, and a feedback connection 4 for feeding back the cell internal state one time ago. The feedback coupling described above establishes a neuron model that also depends on past input signals to the cell.

第2図は、第1図のフィードバック神経細胞モデルを
用いて構成した階層型神経回路網の一実施例のブロック
図である。
FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of a hierarchical neural network constructed using the feedback neural cell model of FIG.

第2図において、入力信号i(t)はスカラとしてい
るが、多次元ベクトルとすることに特に問題はない。本
神経回路網は、第1層としての入力層11から第M層とし
ての出力層15に致るM個の層から構成され、各層にはn
(k=1〜M)個の細胞が含まれている。神経細胞どう
しの結合は隣り合う層間のみで行なわれ、層内での結合
はない。入力層11に入力された信号入力信号i(t)
は、各神経細胞において、過去の入力信号に関する情
報,本実施例では一時刻前の細胞内部状態Xj(t−1)
を加味されなから、入力層11から出力層15に向って一方
向的に神経回路網内を流れ、▲OM j▼(t)(j=1〜
nM)として出力層15から出力される。
In FIG. 2, the input signal i (t) is a scalar, but there is no particular problem in using a multidimensional vector. The neural network is composed of M layers ranging from an input layer 11 as a first layer to an output layer 15 as an Mth layer.
(K = 1 to M) cells are included. The connection between nerve cells is performed only between adjacent layers, and there is no connection between layers. The signal input signal i (t) input to the input layer 11
Is the information on the past input signal in each nerve cell, and in this embodiment, the cell internal state Xj (t-1) one time ago.
Nakara is adding a unidirectionally flowing the neural circuit network towards the input layer 11 to the output layer 15, ▲ O M j ▼ ( t) (j = 1~
nM) is output from the output layer 15.

第2図において、各層に含まれる101は細胞を示し、
また102はフィードバック結合を示す。なお直線の矢印
は結合を示す。
In FIG. 2, 101 included in each layer indicates cells,
Reference numeral 102 denotes a feedback connection. Note that a straight arrow indicates a bond.

細胞内に示す記号▲XK j▼(t)は時刻tにおける第
K層j細胞の細胞内部状態で、たとえば▲X2 1▼(t)
は第2層第1細胞の時刻tにおける細胞内部状態であ
る。また記号▲OK j▼(t)は時刻tにおける第K層J
細胞の出力値で、たとえば▲O2 1▼(t)は第2層第1
細胞の時刻tにおける細胞出力値である。また、記号▲
K j▼は第K層J細胞のフィードバック結合係数で細胞
内部状態が発散しないように1以下に設定し、たとえば
▲a2 1▼は第2層第1細胞におけるフィードバック結合
係数である。また、記号▲WK,K+1 i,j▼で示すものは、
第K層i細胞と第K+1層j細胞間の結合の重みを示
す。また記号▲θK+1 j▼は第K+1層J細胞における細
胞内部状態のネットワーク安定構成に必要なしきい値を
示し、かつ第2層から第K+1層において細胞内部状態
を−1としてあるのもネットワーク構築上の条件にもと
づく。
Intracellular to indicate the symbol ▲ X K j ▼ (t) is inside the cell state of the K layer j cells at time t, e.g. ▲ X 2 1 ▼ (t)
Is the state inside the cell at time t of the second layer first cell. The symbol ▲ O K j ▼ (t) is a K layer J at time t
The output value of a cell, e.g. ▲ O 2 1 ▼ (t) is first second layer
This is the cell output value at time t of the cell. The symbol ▲
a K j ▼ is set to 1 or less so that the cells internal state does not diverge in the feedback coupling coefficient of the K layer J cells, for example ▲ a 2 1 ▼ is a feedback coupling coefficient in the first cell the second layer. The symbol ▲ W K, K + 1 i, j
The weight of the connection between the i-th cell in the Kth layer and the jth cell in the (K + 1) th layer is shown. The symbol θθ K + 1 j ▼ indicates a threshold value required for a stable network configuration of the cell internal state in the K + 1 layer J cell, and the cell internal state in the second to K + 1 layers is −1. Based on network construction requirements.

こうして、入力信号i(t)は、本神経回路網によ
り、過去の入力信号に関する情報を加味されて出力値O
(j=1〜nM)に変換される。神経回路網の結合係数▲
K,K+1 i,j▼,フィードバック結合係数▲aK+1 j▼の学
習は良く知られている誤差逆伝搬法を多少手直しするこ
とによって効果的に行なえる。
In this manner, the input signal i (t) is output by the present neural network in consideration of the information on the past input signal and the output value O (t).
(J = 1 to nM). Coupling factor of neural network ▲
The learning of W K, K + 1 i, j ▼ and the feedback coupling coefficient Ka K + 1 j ▼ can be effectively performed by slightly modifying the well-known error back propagation method.

こうして、各細胞に一時刻間の状態をフィードバック
させることによりネットワーク内の時系列情報を閉じこ
め、入力信号の時変性に対応する処理が可能となる。
In this way, by feeding back the state for one time to each cell, time-series information in the network is confined, and processing corresponding to time-varying of the input signal becomes possible.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、一時刻前の細胞内部状
態のフィードバック機構を付加した神経細胞モデルを用
い階層型神経回路網を構成することにより、入力信号の
時間的変化に対する処理が可能となってより人間の脳に
近い高度な情報処理が効率的に行なえるという効果を有
する。
As described above, according to the present invention, it is possible to process a temporal change of an input signal by configuring a hierarchical neural network using a neural cell model to which a feedback mechanism of a cell internal state one time ago is added. This has the effect that advanced information processing closer to the human brain can be performed efficiently.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明のフィードバック神経細胞モデルの一実
施例のブロック図、第2図は第1図のフィードバック神
経細胞モデルを用いて構成した階層型神経回路網の一実
施例のブロック図、第3図は従来の神経細胞モデルのブ
ロック図である。 1……シナプス結合部、2……細胞体部、3……軸索小
丘、4……フィードバック結合、11……入力層、12……
第2層、13……第k層、14……第k+1層、15……出力
層、101……細胞、102……フィードバック結合。
FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of a feedback neuron model of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of one embodiment of a hierarchical neural network configured using the feedback neuron model of FIG. FIG. 3 is a block diagram of a conventional nerve cell model. 1 ... synaptic connection part, 2 ... cell body part, 3 ... axon mound, 4 ... feedback connection, 11 ... input layer, 12 ...
2nd layer, 13... Kth layer, 14... K + 1th layer, 15... Output layer, 101... Cell, 102.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】他の神経細胞群の出力信号に重み付けを行
なった信号を受け取るシナプス結合部と、前記シナプス
結合部から入力される前記重み付けを行なった信号を加
算し細胞内部状態を生成する細胞体部と、前記細胞内部
状態を細胞出力値に変換する軸索小丘とを有する神経細
胞モデルにおいて、自己自身の前記細胞体部が現時刻の
細胞の内部状態をXj(t)とすると前記自己自身の細胞
体部の過去の細胞の内部状態の影響をも受けることを特
徴とするフィードバック神経細胞モデル。
1. A cell for generating a cell internal state by adding a weighted signal input from the synapse connection section and a synapse connection section for receiving a signal obtained by weighting an output signal of another nerve cell group. In a neuron model having a body part and an axon hill that converts the internal state of the cell into a cell output value, when the cell body part of the cell itself assumes the internal state of the cell at the current time as Xj (t), A feedback neuron model characterized by being affected by the past internal state of cells in its own cell body.
【請求項2】前記細胞体部の生成すべき細胞内部状態Xj
(t)が、他の神経細胞群の出力信号に重み付けを行な
った信号と、一時刻前の細胞内部状態Xj(t−1)に1
以下の重み付けを行なった信号との加算で生成されるこ
とを特徴とする請求項1記載のフィードバック神経細胞
モデル。
2. The cell internal state Xj to be generated by the cell body part
(T) is a signal obtained by weighting the output signals of the other nerve cell groups and the cell internal state Xj (t−1) one time earlier by 1
The feedback neuron model according to claim 1, wherein the feedback neuron model is generated by adding the following weighted signal.
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